（计算机应用技术专业论文）基于ontology的语义地理信息共享与互操作技术的研究.pdf

江苏大学硕士研究生毕业论文 摘要 由于空间信息技术在相关领域应用的不断深入，产生了大量分散异构的地理 环境空自j 信息，这些信息大多是各自独立、相对封闭、无法互相沟通和协作，形 成了空间信息孤岛，难以满足i n t e r n e t 上与地理环境空间信息相关的综合决策的 需要。如何让这些空间信息孤岛既相对独立又能共享和互操作；如何让i n t e r n e t 用户快速准确地定位、获取并使用他们所关心的空间信息，这是目i j i 国际上空间 信息技术研究的焦点问题，也是实现地理环境领域空间信息语义共享和互操作的 瓶颈。 通过深入分析，本文详细剖析了地理信息系统的发展过程和现状，指出了目 前存在的问题及产生问题的原因。为了实现基于语义的地理信息共享和互操作， 探讨并提出了基于本体的地理信息语义共享互操作框架和w e b 服务扩展语义描述 模型，并针对创建本体过程中以及本体间映射在时问、效率上不能平衡的难题， 提出了一种自动校正处理方法，该过程是在本体校正框架的基础上实现的。为克 服传统空自j 数据查询无法实现跨要素数据集的综合查询，也无法实现知识和语义 层次上的空日j 信息查询，本文采用了基于o n t o l o g y 的空问知识查询技术，通过对 空间或关系数据库的逻辑分析和推理，自动完成用户以自然语言描述的查询条件 或请求，并用实例初步验证了知识层次或决策级的智能化查询结果。针对耳日i f w e b 服务的发现策略的不足，综合了基于关键字的匹配和基于语义的匹配推理两种查 询机制的优点，采用了二阶段w e b 服务发现匹配策略。在第一阶段，利用关键字 的匹配选择相应的w e b 服务社区，减少了匹配中候选服务的数量；在第二阶段， 基于本体和描述逻辑，提出了弱w e b 服务匹配的思想。对于第一阶段选择的服务 社区领域内的w e b 服务，通过构造概念包含树，给出了一个弱w e b n 艮务查找匹配的 算法。该算法提高了w e b 服务查找的查准率和查全率，为目前w e b 服务的查找匹配 提供了一个较好的解决方案。 最后，设计并实现了一个应用示范来演示验证论文的研究成果。 关键词：语义，w e b 服务，地理信息，本体，地理本体，共享，互操作 江苏大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t a st h es p a t i a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e dd e e p l yi nr e l a t i v ed o m a i ni t p r o d u c e sm a n ys e p a r a t ea n dd i f f e r e n ts t r u c t u r e so fr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n ts p a t i a l i n f o r m a t i o nt h a ta r er e s p e c t i v e l yi n d e p e n d e n t , r e l a t i v e l yi s o l a t ea n du n a b l et ob 矗l a r e a n di n t e r o p e r a t e t h ei n f o r m a t i o nf o r m si s o l a t es p a t i a li n f o r m a t i o ni s l a n ds ot h a ti ti s d i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e l a t e da n dc o m p r e h e n s i v ep o l i c yf o ri n t e m e t a n dr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n ts p a t i a li n f o r m a t i o n h o wt om a k et h e s es p a t i a l i n f o r m a t i o ni s l e t sr e s p e c t i v ei n d e p e n d e n c ea sw e l la si n t e m p e r a t ea n dh o wt om a k e i n t e m e ti l s c r sr a p i d l ya n da c c u r a t e l yl o c a t e ，a t t a i na n du 辩c a r e ds p a t i a li n f o r m a t i o n ， a n ds oo n , a r et h ef o c u so fi n t e r n a t i o n a ls p a t i a li n f o r m a t i o ns t u d ya tp r e s e n ta n da l s o a r et h ek e yo fa c h i e v i n gs p a t i a li n f o r m a t i o ni n t e r o p e r a b i l i 姆a n ds h a r ei nr e s o u r c ea n d e n v i r o n m e n td o m a i no fg e o g r a p h y b y t h e a n a l y z i n g o nt h e h i s t o r y a n dc o n d i t i o na b o u tt h es h a r ea n d i n t e r o p e r a b i l i t yo fg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m s , w ep o i n to u tt h ep r o b l e m sa n d c a u s e si nc u r r e n ta r c h i t e c t u r e i no r d e rt oi m p l e m e n ts h a r ea n di n t e r o p e r a b i l i t yi n g e o g r a p h yi n f o r m a t i o nb a s e d - s e m a n t i c , t h i sp a p e rb u i l d sat h e o r e t i c a lf r a m e w o r k b a s e d - s e m a n t i cf o rg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o na n dd e s c r i p t i o nm o d e lo fw e bs e r v i c e s w e i n t r o d u c eas e m i - a u t o m a t i ca l i g n m e n tp r o c e s si m p l e m e n w x ti nt h ef r a m e w o r kf o r o n t o l o g y , a sw ec a n n tf i n dab a l a n c eo ft i m ea n de f f e c ti nb u i l d i n ga n dm a p p i n g b e t w e e no n t o l o g i e s t r a d d i t i o n a lq u e r yo ns p a c i a ld a t ac 锄tm e e ti n t e g r a t e dq u e r y a c r o s s df e a t u r ed a t as e t sa n da l s o 啪n tr e a l i z et h ep u r p o s eo fk n o e l e d g ea n d s e m a n t i cl e v e l s ow eu s et h eq u e r yo fs p a c i a lk n o w l e d g eb a s e do no n t o l o g y i tc a l l p r o v i d e st h ed e c i s i o n m a k i n ga n ds c i e n t i a lq u e r yr e s u l t sw h i c h 啪a u t o m a t i c l y c o m p l e t et h ew h o l ep r o c e s so fq u e r y i n g t h er e s u l t sf r o ma n a l y s i sa n dr e a s o n i n g t h r o u g h r e l a t i o n a lo rs p a c i a ld a t a b a s ec 缸b ep r o v i d e df o ru s e r st om a k ead e c i s i o n w ep r o p o s eat w os t e p sq u e r y i n gi n t e g r a t e dw i t ht h ea d v a n t a g e so fk e y w o r d - b a s e d a n ds e m a n t i c - b a s e ds e r v i c em a t c h m a k i n gi no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fi n s u f f i c i e n t m a t c h i n gs t r a t e g y i nt h ef r i s ts t e p ak e y w o r d - b a s e dm a t c h m a k i n gi sp r o p o s e dt of i n d t h ec o r r e s p o n d i n gs e r v i c ec o m m u n i t ) ri na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u e s tc a t e g o r y k e y w o r d ，w h i c hr e d u c e st h ea m o u n to fc a n d i d a t ew e bs e r v i c e s i nt h es e c o n ds t e p ，w e p r o p o s et h ei d e ao fw e bs e r v i c ew e a km a t c h m a k i n gb a s e do nt h ep r o p o s e de n h a n c e d w e bs e r v i c es e m a n t i cd e s c r i p t i o nm o d e la n dt h et h e o r yo fs e r v i c ec o m m u n i t y , w e r e s o r tt ot h ee f f e c t i v es u b s n m p t i o ni n f e r e n c ec a p a b i l i t yb e t w e e nt w oc o n c e n p t so f d e s c r i p t i o nl o g i ca n dc o n s t r u c tas u b s u m p t i o nt r e ef o rs e r v i c e si nt h ef r i s r ts t e p r e s u l tc o m m u n i t y , a n dt h e np u tf o r w a r daw e bs e r v i c ew e a km a t c h m a k i n ga l g o r i t h m 江苏大学硕士研究生毕业论文 w h i c hi m p r o v e ss e r v i c em a t c h m a k i n gp r e c i s i o na n dr e c a l lt h u sh a sb e e np r o v e da b e t t e rs o l u t i o nt ow e bs e r v i c ed i s c o v e r ya n dm a t c h m a k i n g f i n a l l y , w ed e s i g na n di m p l e m e n t a n a p p l i c a t i o n f o r d e m o n s t r a t i n ga n d c o n f i r m i n gt h er e s e a r c hr e s u l t so fp a p e r k e yw o r d s ：s e m a n t i c ，w e bs e r v i c e ，g e o g r a p h y i n f o r m a t i o n ，o n t o l o g y ， g e o - o n t o l o g y ，s h a r e ，i n t e r o p e r a b f l i t y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论 文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 4 i 保密昭。 学位论文作者签名：锨 加口7 年6 月f f 日 指捌徽：诉； d 一、年6 其f t 日 降 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鲤多承 日期：沙1 年6 月f f 日 江苏大学硕士研究生毕业论乏 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 基于语义的地理信息共享和互操作的研究目前还处于发展阶段，相关研究 比较琐碎，不成体系，而且其理论基础相对薄弱，在地理信息系统网络化和社会 化日益增加的压力下，研究人员做了大量工作，也取得一些成就，但语义共享和 互操作研究的难度很大，要取得重大突破，还需要进一步的努力。 本文的研究目的是通过利用本体对基于语义的地理信息共享和互操作进行 比较全面和细致的分析，建立一套空自j 地理信息语义共享和互操作的理论体系， 为今后的深入研究奠定基础。由于基于本体的语义地理信息共享和互操作本身融 合了地理信息系统理论、认知科学与计算机技术的最新发展，受各种新技术的影 响比较大，所以文中涉及的技术面比较宽。 本文结合地理信息的特殊性，针对基于本体的地理信息语义共享和互操作进 行了一些探讨。通过研究本体理论在地理信息系统中的应用，利用本体记录各个 领域的共享的知识体系，把默认和隐含的语义信息显式和形式化地表达出来，为 不同领域问的信息系统资源的共享和互操作提供了前提条件；通过把本体与w e b s e r v i c e s 技术有机地结合在一起，并应用到地理信息系统的共享和互操作中，构 造一个地理信息语义框架，从而屏蔽地理信息资源和服务的分布特征及异构特 征，在逻辑上为用户提供了一个单一的虚拟地理信息视图：实现了基于语义广域 环境下的地理信息资源和服务的共享与互操作。传统互联网实现了计算机硬件的 连通，w 曲实现了网页的连通，而基于本体的地理信息语义则要实现全球地理信 息在语义层的全面连通。总之，通过基于本体的地理信息语义共享和互操作的研 究和地理信息语义模型的建立，使地理信息系统更加全面和深入地与各行各业的 信息系统有机地融合为一个整体，极大地促进地理信息系统的社会化和普及。 1 2 地理信息共享与互操作概述 目前的g i s 系统主要是针对部门级、企业级、行业级的解决方案，各应用部 门总是根据自己的具体情况和应用需求选择不同的g i s 平台，从而导致在数据结 构、数据模型、数据格式、访问方式上都存在着很大的差异，数据难以共享，无 法满足各个行业信息对资源集成、共享和互操作的需求。 从技术角度来看，信息资源共享可理解为信息资源的互操作。互操作为信息 资源共享提供了具体操作的依据，正是系统间的相互通信、相互合作，访问、交 江苏大学硕士研究生毕业论文 换、处理彼此的信息，信息资源的共享才能实现。地理信息是现实世界中最基本， 使用最广泛的信息资源，其共享也必通过g i s 互操作来实现。 1 2 1g i s 互操作的定义 对于g i s 互操作性存在不同的理解：0 6 c 认为它是系统或系统组件提供内部 应用和协作过程控制的能力；e s r i 【2 1 认为它是在开放式计算环境中定位和获取地 理数据和服务的能力。根据i s 0 2 3 8 2 一l 的定义【3 1 ，互操作性是指多种功能单元间 相互通讯、执行程序、传递数据的能力，而关于这些单元所具有的独特特征，用 户不需要知道多少，甚至可以不知道。由此看出，互操作性强调将具有不同数据 结构和资料格式的软件系统集成在一起共同工作。 互操作可以分为两个层次【4 j ，语法层和语义层。语法层保证系统间存在一个 连接，数据可以通过该连接进行传递，功能可以被调用，从而实现对信息资源的 共享。语义层是指不同的系统以相同的方式理解数据或操作所包含的语义或含 义，从而实现对信息资源最为有效的共享利用。 1 2 2g i s 语法互操作 g i s 语法互操作也可以叫做g i s 技术互操作，是指用户从其他g i s 系统中获取 地理数据或调用功能的能力。它是g i s 互操作最基本的目标。 g i s 语法互操作是将异构g i s 开发到可“移动”的程度。从数据共享上讲，其 目标是简单、透明、开放、统一地交换g i s 数据。这意味着，用户不需要理解g i s 数据的结构和定义，也不需要掌握如何使用这些数据，所有与g i s 数据交换相关 的复杂内容都能够隐藏起来。g i s 数据交换必须独立于所使用的技术。从功能共 享上来讲，其目标是简单、透明、开放、统一地访问g i s 功能操作。用户无需理 解被访问的g i s 系统特定功能的实现细节。功能的调用方法独立于其所处的系统 平台，通过统一的技术，就能实现对功能的访问。 目f i i g i s 语法互操作技术主要包含以下几种【5 】：使用数据转换器或中介格式 进行格式转换；建立并采用行业数据转换标准，如s p a t i a ld a t at r a n s f e r s t a n d a r d ( s o t s ) ；定义能捕捉地理信息所有方面的统一数据模型和采用公共a p i 的方法，即制定地理技术互操作规程，例如0 g c 制定y o g i s t 6 1 ( o p e ng e o d a t a i n t e r o p e r a b i l i t ys p e c i f i c a t i o n ) ，其目标是使所有g i s 开发商都采用这个规 程，从而实现地理信息共享。o g i s 的解决方法实际上就足制定和采用一个单一的 体系结构。由于地理信息本身及其获取、表示和操作的复杂性，事实上不可能指 望所有用户都采用一种体系结构和统一的标准集，而且目前制定统一的规范十分 复杂，很难被所有开发商所遵守，不容易被用户和厂商使用。随着地理数据的分 布式趋势越来越明显，数据的维护、跟踪以及相关的转换将更加困难。 以上互操作技术主要足针对数据来进行的，地理信息资源不仅仅包括数据资 2 江苏大学硕士研究生毕业论文 源，还包括功能资源。互操作不仅需要获取数据，还应能够自主地获取数据的处 理能力。为了实现这一点，可以制定统一的基本服务类型及数据操作的接口规程， 从而实现服务互操作，这包括如何提供服务，如何请求服务，如何确定请求是针 对数据还是针对数据的操作等等。o g c u , 开始探讨g i s 服务互操作 7 1 ，2 0 0 1 年开始 了“0 g cw e b 服务”项目，着重实现基于w e b 的空间服务技术，并研究相关技术和 体系结构等。 1 2 3g i s 语义互操作 地理信息共享是一个交流过程。在交流中不仅涉及到数据值本身，还涉及到 数据的语义或含义。成功的g i s 互操作不仅要求技术上获取分布式地理信息和功 能，还需理解这些信息和服务的文档。g i s 语法互操作所解决的只是如何获得地 理数据和访问其它系统功能的问题，它并不能回答所得到的地理数据代表的具体 含义，以及所调用的操作代表怎样的功能是什么。g i s 语法互操作是面向技术层 的g i s 互操作，g i s 语义互操作是面向应用层的g i s 互操作，它在g i s 语法互操作之 上，为g i s 互操作提供语义上的支持。在某些特定的g i s 应用中，可能会用不同术 语来描述相同概念，或用相同术语来描述不同概念，因而导致语义不一致。g i s 语义互操作强调处理语义不一致的能力【8 l 。通过语义互操作，能使g i s 语义在转 换和使用过程中保持一定程度的准确性、完整性和一致性，以达到最为有效的g i s 语义共享，实现地理信息资源更有效的利用。 由于地理信息语义的复杂性，使语义互操作成为g i s 互操作中的一个难题。 目前，理论上实现g i s 语义互操作的方法有3 种【9 】：各自理解对方的数据库模式 和数据语义；在建立公共模式的基础上提供一种机制，使用户能按统一形式 ( 如：双方使用统一的语义模型来表达语义) 表达查询要求并获取数据，如全局 概念模式、s u m m a r ys c h e m a sm o d e l ( s s m ) 等；借助中问机制( 如语义转换机制) 处理信息，使用户能用自身语言来形式化查询要求，而且无需考虑对方因素即可 获得正确处理，如上下文语义转换器、查询转换器等。 目前众多研究者都在探讨g i s 语义互操作问题，并提出了不少解决方法。例 如：语义交换补充模型【lo j ，强调不同g i s 数据模型之间的微妙差异；基于 o n t o l o g y 的方法【1 1j ，它将地理信息系统看作是可互操作对象的容器，并通过容器 与用户进行交流，从中抽取满足用户需求的信息，同时提出通过多元o n t o l o g i e s 进行对象之间的映射；上下文调解器方法【i2 1 ，它进行信息源和接收者之间的 转换；知识表示方法【i ”，它通过精确表示异构数据库中数据模型语义的方法 来处理g i s 语义不一致问题；借助元数据和语义值来解决语义不一致问题的方 法| 1 4 1 ；采用统一语义形式化数据结构( s f d s ) 和资源发现模型来促进地理信息 的语义理解和表示的方法【l5 】；采用全局概念模式来解决g i s 语义互操作的方 法，它从信息语义而不是数据结构来实现信息交流1 1 6 】；元数据调解器方法， 3 江苏走学硕士研究生毕业论文 它从描述地理信息的元数据出发来理解语义，并结合人工智能技术的元数据调解 器来自动识别和处理g i s 语义冲突m j 。 尽管g i s 语义互操作几乎和g i s 语法互操作同时开始研究，但它至今仍是g i s 互操作中的难点，还停留在方法探讨和原型实现阶段，没有进入实际应用。而且， 它仍局限于对地理信息进行语义标识和处理的研究，未涉及与地理信息服务相应 的语义研究。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 1 3 1 存在的问题 i n t e r n e t 用户与地理信息资源之间的鸿沟可以归纳成地理信息共享和互操 作中的三个重要问题【1 8 1 ：可达性问题，即用户难以获取地理信息：可用性问题， 即用户难以理解地理信息；易用性问题，即用户难以方便地使用地理信息。 1 3 1 1 可达性问题( a c c e s s i b i l i t y1 地理信息通常具有比较复杂的结构，不同g i s 产品采用不同的数据模型来描 述地理信息，因此用户只能用特定的g i s 产品访问特定的地理信息资源。不幸的 是，以往大量g i s 应用都是针对单机或局域网开发的，而目f i 不少g i s 应用也会 出于安全考虑而只建设在局域网或企业网中，这样就出现了大量不可在i n t e r n e t 上被直接访问的的地理信息孤岛( i s o l a t e dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o nr e s o u r c e 。i s m ) 。 为了帮助i n t e r a c t 用户有效地访问i s i r ，需要考虑以下问剧1 9 1 ： a 设计怎样的中介软件( m e d i a t o r ) 来建立i s i r 和h t e m e t 应用的连接； b i n t e m e t 用户如何了解到i s i r 和中介软件的分布； c i n t e m e t 用户如何通过中介软件访问i s i r ； d i n t e m e t 用户以怎样的格式得到i s 瓜； 1 3 1 2 可用性问题( i n t e r o p e r a b i l i t yl 不同的g i s 数据规则和标准造成了地理信息提供者与地理信息处理服务提 供者的一体化的局面，而不同的g i s 产品的边界导致了用户难以理解和使用不同 地理信息资源的局面。随着地理信息在分布式应用系统( 尤其足i n t e m e t 应用) 中的广泛使用，用户不希望受到过多的局限，追切需要打破这种割据局面，实现 地理信息互操作。 m a x j e e n h o f e r t ”j 在1 9 9 9 年提出“g i s 互操作的目标就是实现地理信息的自 动处理，从而使用户有效地越过信息收集者，软件服务的设计者自有的边界，与 他们共享信息弓服务”。 有很多学者和机构对地理信息共享和互操作进行了探讨研究。他们的观点强 调地理信息共享和互操作中的两个重要问题：如何瓦操作异构的地理信息，如何 互操作地理信息服务软件。i n t e m e t 环境中地理信息异构问题可以从语法和语义 4 江苏大学硕士研究生毕业论文 两个不同的层次研究： a 语法上的差异：不同的地理信息资源可以采用不同存储格式，而同一类 存储格式也可能有版本的差异； b 语义上的差异：不同的地理信息资源可以采用不同的概念体系表示，而 同一个概念体系中的概念也可能有同型异义或同义异型的现象。 人与人之间说话就是一个很好的一个信息互操作的例子。比如说，张三问李 四今天的气温，李四听懂了，然后告诉张三今天2 3 度，而张三也听懂了，这就是 互操作。若是张三问t o m 今天的气温，t o m 不懂汉语，听不懂张三问什么，自然 无法回答问题，这就不算互操作。因为，虽然发生了信息的交换，但是参与者之 间并不能相互理解对方传递的信息。 上面的例子主要体现了语法异构造成的理解障碍，目前在这个方面己经有不 少解决办法。主流的方法是语法翻译，即编制一个转换程序，把采用某种存储格 式的空间信息转存为另一种存储格式，再交给可以理解该格式的g i s 产品使用。 x m l 的出现，一方面可以缩小语法的差异：另一方面也在信息中增加了语义内 容，使得消除语义差异成为可能。 i n t e m e t 环境中地理信息服务共享和互操作的问题则可以参考网络分层模型 中服务定义来考虑【1 9 l ： a 提供怎样的服务能力； b 提供怎样的服务接口： c 采用怎样的协议通信并协作； 地理信息处理软件的互操作需要使用机器可理解信息，s e m a n t i c w e b 中提出 的利用x m l + r d f 在信息中增加语义部分是解决这个问题的一个很好尝试。 1 3 1 3 易用性问题( u s e r - f r i e n d l y ) 用户在使用地理信息时有各式各样的需求：有的希望使用众所周知的服务， 为此g i s 厂商提供了集成环境；有的则有特殊的要求，为此g i s 厂商提供二次开 发平台以支持用户构造自己的应用。在i n t e m e t 环境中，应用系统的构造方法也 从单机单任务模式发展到了多任务分农计算模式。潜在的用户市场不可能再被一 两家大厂商蓬断，事实上他们也很难针对特定应用提供服务。这样就需要一种开 放的信息共享和互操作模型，模型的建设者可以提供原子信息与原子服务，然后 模型的使用者可以通过原子之间的组合完成任务。其中需要考虑如下问题【2 0 】： a 模型中有哪些原子服务和原子信息f b 用户如何了解并使用原子服务和原子信息； c 原子服务呵以采用哪些方法实现： d 原子服务与原子信息之问如何通信； e 原子服务与原子信息之间如何协同； 5 江苏大学硕士研究生毕业论文 组件技术是比较流行的地理信息应用构造手段，而基于a g e n t 【2 l l 的软件技术 则是一种更为新颖的解决方案。 1 3 2 基于语义地理信息共享和互操作现状 地理信息系统从发展之初n s o 年代早期，信息的组织和利用基本上是在相对 孤立的系统内进行的，空间数据被收集、数字化并被存储在不同的数据库中。不 同的地理信息系统由于数据结构、概念模型和软硬件环境的差别形成异构分布的 信息孤岛，极大地阻碍了地理信息共享和应用。为了解决这个问题，人们提出了 地理信息共享与互操作的概念，并从两个方面开展研究工作：通过定义统一开放 的地理数据模型、服务模型的方式( o p e ng i s ) 和基于语义的方式。许多专家为此 做了大量的工作。 s h e t h t 2 2 j 将信息系统的异构性分为四个层次：系统、语法、结构和语义。系 统级的异构指不同的主机、操作系统和网络；语法级的异构是指数据类型、存储 格式的差异；结构级的异构是指数据结构、接口和模式上的不同；语义级的异构 则是指在一定领域内专用的词汇意义的共享和交流。 y b i s h r1 2 叫化a b i s h r ，1 9 9 9 ) 提出了信息系统存在语义、视图和语法三个层 次差异，并做了详细的分析： 1 ) 语义层次( s e m a n t i c ) 。一个概念有多种事实描述。如“湖泊”一词，可以 理解为洞庭湖这样的大湖，也可以理解为一个小池塘，一个水坑，一个养鱼塘； 又如“镇江市地图”这个概念的内涵更是非常复杂的； 2 ) 视图层次( s c h e m a t i c ) 。一个事实被描述为不同的概念成分，如河、江等都 是对水系的描述，但长江又有扬子江、金沙江、通天河等各段不同称谓：如“公 路”在地理信息系统中有的仅被描述成一串空间坐标和一个分类属性代码，有的 则包含了车道线、中心线也标、边界坐标、路面材料等； 3 ) 语法层次( s y m c d c ) 。构造结构的不同，如对地理对象的构造每个人都有 自己不同的理解；对地理信息查询和分析功能的组成更不统一，有的把距离量算 视为分析功能，有的系统则视之为查询功能；又如对地理信息共享和互操作内涵 的理解更足区别很多。 这三个因素都足由地理信息知识单元的认知差异造成的。三大因素之中，语 义异构是最基本的，需要优先解决，在地理要素的空日j 概念基础上建立地理信息 语义表达理论，可以解决不同地理信息系统之间的交流障碍。语义的分析必须基 于概念进行，使用特别的概念化方法工具，可以解决异构知识的共享和复用。 o g c 2 4 1 把地理信息共享与互操作分为三个层次：数据层、语法层和语义层。 前两种主要由数据结构、概念模型和软硬件环境的差别引起的，可以通过统一数 据结构标准和服务功能原子化，模块化以及开放接【j 标准来解决。而语义层共享 和互操作就相对复杂的多，目前有许多研究利用本体理论来进行。通过本体把特 6 江苏大学硕士研究生毕业论文 定环境中的地理概念的语义和上下文关系显式地和形式化地表达出来，从而能够 实现地理信息语义信息的自动处理，从而实现基于本体的地理信息语义层的共享 和互操作。 1 3 3 地理信息本体集成方式 基于本体的地理信息的共享和互操作是以系统集成为基础的，而集成有三种 形式1 2 5 1 ：单一本体信息系统集成、多本体信息系统集成和混合本体信息系统集 成。 1 3 3 1 单一本体系统的信息系统集成 单一本体系统的信息系统集成是多个数据源共用一个全球( 全局) 本体系统， 即所有用户归入一个信息集团，共享统一的知识库，各个数据源的数据通过一个 中间件( m i d d l e w a r e ) 映射到本体概念( 或词汇表的术语) 上，这样用户只需要通过 对语义( 本体的概念) 的操作，不必直接操纵异构的数据源就实现了基于语义的数 据共享和操作，如图1 - 1 所示。 单一本体系统的信息系统集成方法简单，结构清晰，但由于要求所有用户都 遵循一个对客观世界的唯一认识，实际应用时难以实现。而且集成系统对信息源 的变化敏感，当一个信息源发生变化时会引起全局概念的改变，难以维护。 全局本体 图1 1 单一本体系统 1 3 3 2 多本体系统的信息系统集成 为克服单一本体系统的信息系统集成的弊端，引入多本体系统的信息系统集 成方法。在集成系统中，不同信息源有各自的本体系统，整个系统被分割成不同 的信息集团，集团内部共享本地本体系统，而系统共享与互操作通过各个本地本 体系统的共享和互操作实现。该方法的优点是各个本体系统形成彼此相对独立的 系统。单一本体系统中概念的改变不会造成集成系统的全局性混乱。 图1 2 多本体系统 7 江苏大学硕士研究生毕业论文 但由于不同本体系统各自完全独立地建立，彼此之间没有显式的联系，各个 本体系统之间的语义关系很难建立，所以难于有效地集成，如图1 2 所示。 1 3 3 3 混合本体系统的信息系统集成 用单一本体集成的信息系统各个部分联系密切，不能动态和开放地反应人们 对世界的不同观点；多本体的信息系统满足了动态和开放的要求，但各个本体之 间的耦合脆弱，不易集成。为此引入了综合两者优点的第三种方法一混合方法。 混合方式的本体信息系统集成一方面保留多本体系统的特点，不同的用户团体建 立本地的本体与各自数据源相联，避免了局部结构改变对全局的影响：另一方面， 在各个本地本体之上，存在一个共享的本体，该本体的概念被各个本体认可并作 为构造本地本体的基础，使不同系统的集成相对容易。系统集成的关键是共享本 体的构造，它直接决定系统的性能。总之，混合本体系统集成同时兼顾了系统的 开放性、动态性和相互之间的耦合性，是目前基于本体系统共享和互操作研究的 主要方法，如图1 3 所示。 图1 3 混合本体系统 综上所述，单一本体系统的信息系统集成是在垂直方向进行的，多本体系统 的信息系统集成是水平方向进行的，混合方法通过垂直方向和水平方向实现系统 集成。 1 4 论文研究内容与论文组织 1 4 1 论文的研究内容 本文详细探讨了基于本体的地理信息系统语义共享与互操作的概念及其相 互关系，力图发掘其内在的规律。由于本体具有把特定领域中概念的语义和概念 之问的上下文关系硅式地表达出来的能力，同时其形式化的表达方式方便人机交 互和系统之间的互操作，所以将本体引入地理信息系统共享和互操作研究中，通 过对本体的性质、本体的建立方法以及本体在地理信息系统共享和互操作中的地 8 江苏大擘硕士研究生毕业论文 位作用的研究，阐述了基于本体的地理信息系统语义层共享和互操作的实现原则 和方法。并以此为基础，利用地理空自j 数据本体的概念描述、推理和查询机制解 决语义冲突，并对实现空佃j 数据语义查询和检索进行了实验。 根据以上分析，本文重点研究和探讨内容主要集中在以下几个方面： 1 ) 深刻理解地理信息共享和互操作意义及其内涵，并对其发展现状和存在 问题进行探讨，从实际应用的角度深入认识基于语义的地理信息系统共享和互操 作的迫切性和重要性。 2 ) 对本体概念进行详细的介绍，包括定义、作用、分类、层次结构、描述 语言、定义工具，阐述w e bs e r v i c e s 体系结构模型，并对将本体引入地理信息语 义共享和互操作中的意义和作用进行说明。 3 ) 对本体管理中的关键问题和技术进行介绍，特别介绍了关系型数据库与 本体之间的存储和映射的关系和方法，并针对人为手工本体校正存在的弊端，在 本体校正框架的实现基础上，提出了一种改进的方法一本体校正的半自动处理 过程，通过一个示例验证其可行性和实用性，在此基础上提出了语义地理信息 w e b 服务共享与互操作模型。 4 ) 对于本体描述的数据，将其存储在数据库后，如何按照用户的需求有效、 快速、准确地进行空间数据的查询和检索、w e b 服务如何进行语义的匹配，针对 此问题，采用了基于o n t o l o g y 的空间知识查询技术，初步实现并验证了知识和语 义层次上的智能化空问信息查询。综合了基于关键字的匹配耗时少和基于语义的 匹配推理查询精度高的两种查询机制优点，提出了二阶段w e b 服务查找匹配策 略，能较好的顾全效率与性能问的平衡。 在此基础上，结合地理信息共享和互操作的具体需求，给出了一个应用示范 系统的设计和实现。论文研究的成果为地理信息共享和瓦操作提供了理论指导， 将对于解决地理信息共享和互操作中的问题，满足地理信息资源共享与互操作的 技术需求，促进信息技术尤其是空间信息服务技术的发展与应用发挥重要的作 用。 拟解决的技术问题主要有： ( 1 ) 用于共享与互操作的地理信息o n t o l o g y 的构建过程以及如何对给定的任 务根据定义的o n t o l o g y 提供一个有效的描述； ( 2 ) 对语义地理信息系统所提供的w e b 服务进行有效可行的描述： ( 3 ) 探索并初步实现可将用户需求与信息系统所提供的w e b 服务进行匹配的 策略； ( 4 ) 寻找并采用准确、快速进行基于语义的w e b 服务查找匹配算法： ( 5 ) o n t o l o g y 与数据库的结合。对于数据库中的数据要与o n t o l o g y 相结合才 能在原有数据上赋予其语义信息，否则o n t o l o g y 的建立就失去了意义。应该考虑 9 江苏大学硕士研究生毕业论文 如何有效的将数据库与o n t o l o g y 相结合。 1 4 2 论文组织 根据论文研究内容、思路、方法，本论文的组织总体上分为六章。论文的具 体布局如下： 第一章：概述地理信息共享和互操作的意义和发展现状，提出目前所面临的 信息资源共享问题，从而描述了论文的研究背景。最后概括了论文研究内容和论 文组织。 第二章：介绍地理信息共享和互操作技术中关键概念及其相关的技术，如本 体、地理本体、w e bs e r v i c e s 等关键技术及其发展现状，为后面的系统的分析和 实现提供理论基础和技术支持。 第三章：对本体与数据库技术进行探讨，着重介绍了本体与关系型数据库 之间的相互映射，提出了一些规范，并重点介绍了一种本体校正的半自动处理方 法，用一个实例显示其优越性，能较好的平衡耗时与性能之间的矛盾，且不需太 多的人为干预。 第四章：介绍了不同本体问共享和互操作的一个应用功能一查询的算法分 析和实现步骤，并用实例验证其优越性，然后对w e b 服务语义发现策略进行探讨， 在基于关键字查询w e b 服务的基础上提出了基于本体的w e b 服务匹配策略，较好的 兼顾查全率和查准率。 第五章：针对不同部门建立的本体( 林业、农业) ，进行查询和推理，以验 证正确性和有效性 第六章：总结与展望，包括论文总体结论、论文的创新点、进一步的研究内 容和展望。 江苏大学硕士研究生毕业论文 第二章地理本体、w e bs e r v i c e s 及其相关技术 2 1 一般本体综述 2 1 1 本体定义 本体的概念起源于哲学领域。在哲学上，本体论泛指对客观世界的本体描述， 是客观现实的一个抽象本质，是研究实体存在性和实体存在本质等方面的通用理 论。本体论概念在引入人工智能领域后，被赋予了更为具体的意义。但是最初人 们对本体论的理解并不完善，因此它的定义也在不断的发展变化中。目前，人工 智能领域的本体定义已得到比较普遍的认同：“本体是共享概念模型明确的、形 式化规范说明”1 2 6 1 。它包含4 层含义：概念化、显式化、形式化和共享。 概念化( c o n c e p t u a l i z a t i o n ) ：指的是现实世界中被研究客体的抽象模型， 该抽象模型类似于个字典或术语表，一般由领域内的一组概念、公理和关系组 成。其中概念和概念之白j 的关系表达了本体系统的静态特征。本体的概念系统是 层次结构的，上层概念的语义比底层概念更为抽象，共享的程度高；而底层概念 较为具体，更贴近具体的领域应用，概念之间是泛化和特例的关系。 显式化( e x p l i c i t ) ：指对本体中用到的概念类型以及使用约束等要进行明确 地、显式地定义和说明，即把系统之间，系统和用户之问隐含和默认的共享信息 全部明确地表示出来。 形式化( f o r m a l ) ：指本体所包含的内容应该被计算机理解和处理，即计算机 应该能够解释信息提供的语义。本体形式化的程度是不同的。 共享( s h a r i n g ) ：本体不仅仅是被某个个人所接受，更重要的是获得领域内 群体( 即所谓的信息团) 的一致认可，从而实现系统问的知识共享和新系统的知识 重用。共享和重用是使用本体的最大优势。 总之，本体在领域内的共享保证了领域内信息在语义上的统一和规范，而显 式和形式化的特性一方面为知识的机器阅读和理解奠定了基础，同时保证了不同 领域的用户虽然有不同的知识背景，但仍可以借助本体进行基于语义的交流，从 而使各个领域的应用研究不仅遵从本领域特有的规律